Pierwszenstwo: Opublikowano: 30. I. 1969 56722 KI. 12 o, 15 MKP C07c 39 \b% UK Twórca wynalazku: dr inz. Romuald Bogoczek Wlasciciel patentu: Politechnika Slaska im. W. Pstrowskiego (Katedra Chemii Organicznej), Gliwice (Polska) Sposób wytwarzania kwasu 2-keto-l-gulonowego i/lub jego analo¬ gów lub ich soli i urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarza¬ nia kwasu 2^keto-l-giulonowego i/lub jego analo¬ gów lub ich prostych soli przez utlenienie l^sorbozy i/lub jej analogów stosowanymi do tego celu utle¬ niaczami i wydzielania produktów reakcji.' Zwiazki te moga stanowic bezposrednie pólpro¬ dukty do syntezy kwasu 1-askorbinowego zwanego witaminum C lub jego analogów posiadajacych znaczenie jako reduktory i antyutleniacze.Znany jest sposób wytwarzania kwasu 2^keto- -1-gulonowego lub jego soli metoda Reichsteina, polegajacy na acetonowaniu 1-sorbozy, utlenieniu otrzymanej dwuacetoino-1-sorbozy i nastepnym hydrolityoznym rozszczepieniu produktu utlenienia.Chociaz metoda ta pozwala uzyskac produkt o wy¬ sokiej jakosci, to jednak jej wielostopniowosc po¬ woduje duze straty surowcowe.Znane sa równiez metody otrzymywania kwasu 2-keto-l-gulonowego i jego analogów na drodze bezposredniego utlenienia l^soirbozy i jej analogów róznymi utleniaczami, lecz wydajnosci jakie sie uzyskuje sa niskie i miedzy innymi dlatego me¬ tody te nie posiadaja znaczenia przemyslowego.Próby utleniania sorbozy nadsiarczanem potasu lub woda utleniona w obecnosci siarczanu zelazawego daly w wyniku znikome ilosci produktu. Znana me¬ toda utleniania sorbozy i jej analogów kwasem azo¬ towym pozwala uzyskac zadane produkty z wydaj¬ noscia okolo 5°/o. Odmiana tej metody stosujaca mieszanine kwasu azotowego z kwasem azotawym 10 15 20 25 30 jest bardzo czasochlonna, przy czym wydajnosc; jest nizsza od 20,%. W metodzie elektrolitycznego utleniania sorbozy uzyskuje sie 14—35,5% pozada¬ nego produktu.Szczególnie rozpowszechniona jest metoda utle¬ niania bardzo rozcienczonych roztworów l^sorbozy powietrzem w obecnosci platyny jako katalizatora, Ze wzgledu na latwosc zatrucia katalizatora7 me¬ toda ta nie znajduje zastosowania przemyslowego, chociaz wydajnosc jej siega 50% teorii. Ostatnio próbowano zastapic katalizator platyny znaczna iloscia soli miedziowych, co spowodowalo powsta¬ wanie znacznych ilosci sorbosonu.Znane sposoby bezposredniego utleniania 1-sor- bazy cechuje równiez skomplikowany sklad mie¬ szaniny poreakcyjnej, co pociaga za soba trudnosci wydzielenia i oczyszczenia pozadanego produktu reakcji sposród znacznej ilosci produktów ubocz¬ nych i produktów rozkladu.Stwierdzono nieoczekiwanie, ze normalny poten¬ cjal oksydacyjnonredukcyjny l^sorbozy jest znacz¬ nie wyzszy od normalnego potecjalu oksydacyjno- -redukcyjnego kwasu 2-keto-l-guloniowego. Pro¬ dukt ten jest wiec znacznie silniejszym redukto¬ rem od substratu z którego powstal przez utlenie¬ nie. Fakt ten tlumaczy niskie wydajnosci kwasu 2Hketo-l-gulonowego uzyskiwane w dotychczaso¬ wych sposobach bezposredniego utlenienia 1-sor¬ bozy. Produkt powstaly w pierwszych stadiach procesu ulega nastepnie Oksydatywnej destrukcji. 5672256722 3 4 Stwierdzono, ze mozna uzyskac kwas 2^keto-l- -gulonowy i/lub jego analogi, to jest kwasy 2-keto- heksonowe, lub ich proste sole przez bezposrednie utlenienie 1-sorbozy iAub jej analogów, to jest ketoheksoz z wydajnoscia przeszlo 90% teorii, w sposób ciagly stosujac przy tym rózne utlenia¬ cze w bardzo szerokim zakresie, chociaz stosowa¬ nie niektórych z nich jest wyraznie korzystniejsze, a innych wyraznie gorsze. Wydzielanie czystego produktu lz mieszaniny poreakcyjnej jest praktycz¬ nie niezalezne od rodzaju stosowanego utleniacza i utlenianej keto-heksozy. i x Wynalazek polega na ciaglym parcjalnym utle¬ nianiu wodnego roztworu l^sorbazy lub keto-hek- soz z nastepujacym sorbowaniem kwasów 2-keto- -heksonowych w kolumnach amonitowych oraz uzupelnianiu ilosci keto-heksozy w roztworze i powtórnym parcjalnym utlenianiu.Urzadzenie do wykonywania sposobu wedlug wy¬ nalazku które umozliwia zamkniecie obiegu utle¬ nianego i regenerowanego roztworu oraz -doprowa¬ dzenie swiezej keto-heksozy i odprowadzanie powstalego kwasu 2-keto-hefcsonowego, pozwala na prowadzenie procesu w sposób ciagly.W sposobie wedlug wynalazku wykorzystuje sie zasade, ze potencjal red^oks roztworu wyrazony np. za pomoca wskaznika rH zmienia sie wraz ze stezeniem substancji ulegajacej utlenieniu. Stwier¬ dzono poza tym, ze o ile 10% roztwór 1-sorbozy posiada th równe w przyblizeniu 20 to dla roztwo¬ ru kwasu 2-keto-l-gulonowego wymieniona wartosc rH zostaje osiagnieta juz przy stezeniu równym okolo 1%. Pirzy wiekszym stezeniu roztwór tego kwasu wykazuje jeszcze wieksze zdolnosci reduk¬ cyjne, a w przypadku obecnosci utleniacza, kwas 2-keto-l-gulonowy pierwszy ulega oksydacyjnej destrukcji. Dla innych stezen wartosci punktów ekwipoitiencjaSlnych sa inne.Wedlug wynalazku do roztworu keto-heksozy wprowadza sie jedynie czesc wymaganej stechio- metrycznie ilosci utleniacza, tak aby powstal kwas 2-keto-heksonowy o takim stezeniu jakie powo¬ duje mniejsze wlasciwosci redukcyjne kwasu od wlasciwosci redukcyjnych pozostalej w roztworze keto-heksozy.Sposób wedlug wynalazku nie jest ograniczony do scisle okreslonego jednorazowo stosunku ilos¬ ciowego utleniacza do surowca weglowodanowego.Stosunek ten jest zawsze znacznie mniejszy od stechiometrii, lecz jest tym wiekszy im wieksze jest stezenie wyjsciowe utlenianej keto-heksozy, co zostalo przedstawione przykladowo dla 1-sorbo¬ zy na rysunku fig. 1.Korzystnie byloby pracowac przy jak najwie¬ kszym stezeniu poczatkowym keto-heksozy w roz¬ tworze reakcyjnym, z uwagi jednak na wzrastaja¬ ce równoczesnie trudnosci rozdzialu skladników mieszaniny poreakcyjnej wybór najlepszych para¬ metrów procesu utleniania i rozdzielania zalezy od mozliwosci techniczno-ekonomicznych.Na przyklad stosujac 10% roztwór 1-sorbozy korzystnie stosuje sie utleniacz w ilosci okolo 8% w stosunku do wartosci stechiometrycznej, przy czym otrzymuje sie roztwór poreakcyjny o skla¬ dzie okolo 0,85% kwasu 2-keto-1-gulonowego oraz 9,20% 1-sorbozy. Stosujac 20% roztwór lnsorbozy korzystnie stosuje sie utleniacz w ilosci wynosza¬ cej okolo 12% wartosci stechiometrycznej, uzysku- 5 jac w roztworze poreakcyjnym okolo 17,6% 1-sor¬ bozy i okolo 2,6% kwasu 2-keto-l^gulonowego.Wynalazek nie eliminuje mozliwosci zastosowa¬ nia nieznanych dotad utleniaczy do przeprowadze¬ nia tej reakcji, utleniaczy, które umozliwialyby io osiagniecie szczególnie niskiej wartsoci punktu ekwiipotencjalnego, to jest wyzszej zawartosci kwasu 2-keto-heksonowego przy nizszej zawarosci keto-heksozy w srodowisku poreakcyjnym.Usuwanie kwasów 2-keto-heksonowych z roz- 15 tworu poreakcyjnego odbywa sie wedlug wynalaz¬ ku w sposób ciagly, droga sorpcji w kolumnach anionitowych. Anionity umieszczone sa w systemie kolumn w taki sposób, aby przeplywajacy roztwór pooksydacyjny z chwila wysyoenia sie zloza 20 w jednej kolumnie mógl zostac przelaczony do innej, zregenerowanej kolumny.W przypadku, gdy roztwór pooksydacyjny za¬ wiera kationy metaliczne, które moga pochodzic np. od utleniacza, katalizatora lub zanieczyszczen, 25 przed zetknieciem z amonitem nalezy przeprowa¬ dzic go przez kolumne kationitowa celem zamia¬ ny kationów na jon wodorowy. Z kolumn anioni¬ towych wyplywa w sposób ciagly roztwór keto- heksozy o stezeniu nizszym od pierwotnego o ilosc ,w powstalego, zatrzymanego w kolumnach amonito¬ wych kwasu 2-keto-heksonowego. Roztwór ten do¬ plywa do odbieralników z których dostaje sie za pomoca pompy zasilajacej do zbiornlików przygo¬ towawczych polozonych wyzej od reaktora. 35 W zbiornikach tych uzupelnia sie sklad roztworu przez dodanie swiezej keto-heksozy oraz ewentu¬ alnie katalizatora potrzebnego w reakcji utlenienia i ewentualnie substancji buforowych o ile stosowa¬ ny rodzaj utleniacza tego wymaga, po czym roz- 40 twór splywa w sposób ciagly do reaktora, w któ¬ rym na skutek stalego doprowadzenia utleniacza nastepuje parcjalnie utlenienie.W reaktorze utrzymuje sie staly poziom koncen¬ tracji kwasu 2-keto-heksonowego przez równo- 45 mierne doprowadzania swiezego roztworu i utle¬ niacza i odprowadzanie roztworu parcjalnie utle¬ nionego.Kolumna amonitowa, która zostala wysycona kwasem 2-keto-heksonowyim, ulega okresowo re¬ generacji droga wyparcia zatrzymanego produktu rozcienczonym roztworem kwasu mineralnego z nastepujacym po tym przemyciem roztworem lugu w znany sposób, lub tez od razu roztworem lugu. W pierwszym przypadku w wycieku uzysku¬ je sie wolny kwas 2-keto-heksonowy, w drugim — jego odpowiednia sól. Roztwory te poddaje sie odparowywaniu pod zmniejszonym cisnieniem w celu otrzymania krystalicznych produktów. Je- zeli celem produkcji jest kwas askorbinowy, to wyciek z kolumny anionitowej, zwlaszcza po elu- acji kwasem mineralnym wysyca sie chlorowodo¬ rem, a nastepnie przez ogrzanie przeprowadza reakcje laktoniizacji i enolizacji prowadzaca do po- 65 wstania kwasu askorbinowego.5 56722 6 nomie olkolo 0,67°/«. Wyplywajacy z reaktora roz¬ twór przedostawal sie przedluzonym przewodem rurowym poprzez filtr do kolumny amonitowej 5.Przedluzony przewód umozliwdal zupelne ptrzerea- 5 gowanie utleniacza zanim roztwór przedostal sie do kolumn jonitowych.Poniewaz roztwór poreakcyjny nie zawieral ka¬ tionów ani zanieczyszczen mechanicznych, zostal on bezposrednio skierowany do kolumny anionito- 10 wej zawierajacej slabo zasadowy andond/t IR-45 w formie wodorotlenowej. W kolumnie tej zostal zatrzymany kwas 2-keto-l-gulonowy, a 1-sorboza przeszla do wycieku. Ta czesc 1-sorbozy jaka byla poczatkowo równiez zatrzymana przez anionit, 15 ulegla nastepnie wyparciu w miare naplywu dal¬ szych ilosci kwasu 2^keto-l-gulonowego. Roztwór 1-sorbozy o koncentracji obnizonej przez utleniona i zwiazana w zlozu amonitowym czesc, doplywal poprzez odbieralnik 7, pompe 8 do zbiornika przy- 20 gotowawozego 9, do którego dochodzila swieza 1-sorboza przez urzadzenie podawcze 11. Ze zbior¬ nika 9 roztwór doplywal w sposób ciagly do reak¬ tora 1, w którym, jak juz powiedziano zachodzila ciagla reakcja utleniania, na skutek doprowadza- 25 nego ciagle kwasu bromowego.Po pewnym czasie, roztwór wyplywajacy z jed¬ nej kolumny anioniltowej wykazywal odczyn kwasny. Po przelaczeniu przeplywu roztworu do drugiej nie pokazanej na rysunku zregenerowanej 80 kolumny przemyto poprzednia kolumne woda, po czym wyeUubwiano z niej kwas 2-taeto-l-gulonowy przez przemywanie 0,5—ii,5 n kwasem solnym, który splywal do c^bieralinika 6. Wyciek stanowil wodny roztw^ór kwasu 2-keto-l-galonowego o ste- 35 zeniu od okolo 7,5%. Roztwór ten odparowano pod zmniejszonym cisnieniem w temperaturze bliskiej pokojowej, uzyskujac okolo 98% krystaliczny kwas 2-keto-l-gulonowy o temperaturze topnienia 170— 171°C. 40 Kolumna anlionitowa z której wyparto produkt za pomoca kwasu solnego, wymagala uaktywnie¬ nia 2% roztworem lugu.Kwasy 2Hketo-heksonowe zwiazane w zlozu aniooiitowym mozna wyprzec równiez w cyklu 45 zasadowym, przemywajac kolumne roztworem wo¬ dorotlenku amonu, sodu lub potasu, korzystnie o stezeniu 0,3—1,0 normalnym, uzyskujac w eluacie sole tych kwasów.Jezeli ostatecznym celem jest otrzymanie kwasu 50 askorbinowego, to otrzymany roztwór kwasu 2-ke- to-heksonowego przeprowadza sie bezposrednio znanymi sposobami w kwas askorbinowy1.Stosowany w sposobie wedlug wynalazku system kolumn jonitowych moze dzialac zarówno na za- 55 sadzie periodycznej jak tez ciaglej. Szczególnie korzystne wyniki w operacji wypierania kwasów 2-keto-heksonowych lub ich soli uzyskuje sie, stosujac miedzyoperacyjna ewakuacje kolumn. 30 PLPriority: Published: 30. I. 1969 56722 IC. 12 o, 15 MKP C07c 39 \ b% UK Inventor: Dr. Romuald Bogoczek Patent owner: Politechnika Slaska im. W. Pstrowski (Department of Organic Chemistry), Gliwice (Poland) Method for the production of 2-keto-1-gulonic acid and / or its analogs or their salts and a device for the use of this method. -1-giulonic acid and / or its analogs or simple salts thereof by oxidizing 1-sorbose and / or its analogs with the oxidants used for this purpose and isolating the reaction products. These compounds can be direct intermediates in the synthesis of 1-ascorbic acid called vitamin C or its analogs, which are important as reducing agents and antioxidants. There is a known method of producing 2-ket--1-gulonic acid or its salts by the Reichstein method, consisting in acetonating 1 - sorbose, oxidation of the obtained diacetoin-1-sorbose and subsequent hydrolytic cleavage of the oxidation product. Although this method allows to obtain a product of high quality, its multistage process causes large losses in raw materials. There are also known methods of obtaining 2-keto acid. l-gulonic acid and its analogs by direct oxidation of l-soybose and its analogs with various oxidants, but the yields obtained are low and, among other things, these methods are of no industrial significance. Attempts to oxidize sorbose with potassium persulfate or water peroxide in the presence of sulphate The ferrous iron left as a result of the negligible amount of the product. The known method of oxidizing sorbose and its analogs with nitric acid allows to obtain the desired products with a yield of about 5%. A variation of this method using a mixture of nitric acid with nitrous acid is very time consuming, the yield being; is less than 20%. In the method of electrolytic oxidation of sorbose, 14-35.5% of the desired product is obtained. Particularly popular is the method of oxidizing very dilute solutions of lsorbose with air in the presence of platinum as a catalyst, due to the ease of poisoning the catalyst, this method is not found. industrial application, although the efficiency of it reaches 50% of the theory. Recently, attempts have been made to replace the platinum catalyst with a significant amount of copper salts, which resulted in the formation of significant amounts of sorboon. The known methods of direct oxidation of 1-sorbose are also characterized by a complicated composition of the post-reaction mixture, which entails difficulties in the separation and purification of the desired reaction product from among It has surprisingly been found that the normal oxidation-reduction potential of l-sorbose is significantly higher than the normal oxidation-reduction potential of 2-keto-l-gulonic acid. This product is therefore a much stronger reducing agent than the substrate from which it was formed by oxidation. This fact is explained by the low yields of 2Hketo-1-gulonic acid obtained in the previous methods of direct oxidation of 1-sorbohydrate. The product formed in the first stages of the process then undergoes oxidative destruction. 5672 256 722 3 4 It has been found that 2-keto-l-gulonic acid and / or its analogs, i.e. 2-keto-hexonic acids, or simple salts thereof, can be obtained by direct oxidation of 1-sorbose or its analogs, i.e. ketohexose from The yield is over 90% of the theory, while continuously using various oxidants over a very wide range, although some of them are clearly more advantageous and others clearly worse. The isolation of pure product I from the reaction mixture is practically independent of the type of oxidant used and the keto-hexose to be oxidized. The invention consists in the continuous partial oxidation of an aqueous solution of l-sorbase or keto-hexose with subsequent sorption of 2-keto-hexonic acids in ammonite columns and supplementing the amount of keto-hexose in the solution and repeated partial oxidation of the process. According to the invention, which makes it possible to close the circulation of the oxidized and regenerated solution, and to provide fresh keto-hexose and discharge of the formed 2-keto-heftonic acid, it allows the process to be carried out in a continuous manner. The method according to the invention uses the principle that The redox potential of a solution expressed for example by the index rH changes with the concentration of the substance undergoing oxidation. Moreover, it has been found that, while a 10% solution of 1-sorbose has a TH value of approximately 20, then for a 2-keto-1-gulonic acid solution the said value of RH is already reached at a concentration of approximately 1%. In the presence of an oxidant, the 2-keto-1-gulonic acid first undergoes oxidative destruction in the presence of an oxidant. For other concentrations, the values of the equivoitance points are different. According to the invention, only a part of the stoichiometrically required amount of oxidant is introduced into the keto-hexose solution, so that the 2-keto-hexonic acid is formed with a concentration that causes lower reduction properties of the acid than reducing properties. the keto-hexose remaining in the solution. The method according to the invention is not limited to the strictly defined one-time ratio of the quantitative oxidant to the carbohydrate feed. This ratio is always much lower than the stoichiometry, but is greater the greater the starting concentration of the oxidized keto-hexose, which is is shown, for example, for 1-sorbose in FIG. 1. It would be advantageous to work with the highest possible initial concentration of keto-hexose in the reaction solution, however, due to the increasing difficulties in separating the components of the reaction mixture, the selection of the best pairs would be advantageous. ¬ meters of the oxidation and separation process depends on the can For example, when using a 10% solution of 1-sorbose, it is preferable to use an oxidant in an amount of about 8% based on the stoichiometric value, and a post-reaction solution with a composition of about 0.85% of 2-keto-1 acid is obtained. -gulon and 9.20% 1-sorbose. When using a 20% solution of lsorbose, it is preferable to use an amount of oxidant of about 12% of the stoichiometric value, obtaining in the reaction solution about 17.6% of 1-sorbose and about 2.6% of 2-keto-1-acid. The invention does not eliminate the possibility of using hitherto unknown oxidants to carry out this reaction, oxidants which would allow to achieve a particularly low value of the equipotential point, i.e. a higher content of 2-keto-hexonic acid with a lower content of keto-hexose in the reaction environment According to the invention, the removal of 2-keto-hexonic acids from the reaction solution takes place continuously, by sorption in the anion exchanger columns. The anionites are placed in the column system in such a way that the flowing post-oxidation solution can be transferred to another, regenerated column as soon as the bed 20 has been sent in one column. If the post-oxidation solution contains metal cations, which may come from e.g. oxidant, catalyst or impurities, before contact with the ammonite, it must be passed through a cation exchange column to convert the cations to a hydrogen ion. A keto-hexose solution with a concentration lower than the original concentration by the amount of the 2-keto-hexonic acid formed and retained in the ammonium columns continuously flows out of the anionite columns. This solution flows to receivers from which it is transported by means of a feed pump to preparation vessels located above the reactor. 35 In these tanks, the composition of the solution is supplemented by adding fresh keto-hexose and optionally a catalyst needed in the oxidation reaction and optionally buffer substances, if required by the type of oxidant used, and then the solution flows continuously to the reactor, in which partial oxidation takes place as a result of a constant supply of oxidant. The concentration of 2-keto-hexonic acid is kept constant in the reactor by the equal supply of fresh solution and oxidant and discharge of the partially oxidized solution. Ammonite column. which has been saturated with 2-keto-hexonic acid, is periodically regenerated by displacing the retained product with a dilute mineral acid solution followed by washing with a lye solution in a known manner, or immediately with a lye solution. In the first case, the effluent yields free 2-keto-hexonic acid, in the second, its corresponding salt. These solutions are evaporated under reduced pressure to obtain crystalline products. If the purpose of production is ascorbic acid, the effluent from the anion exchanger column is saturated with hydrochloric acid, especially after elution with mineral acid, and then by heating it conducts lactonization and enolization reactions leading to the formation of ascorbic acid.5 56722 6 nomie olkolo 0.67%. The solution discharged from the reactor passed through the extended tubing through the filter to the ammonite column 5. The extended tubing allowed for complete oxidant transformation before the solution entered the ion exchange columns. Since the reaction solution contained no cations or mechanical impurities, it was directly directed to an anion exchange column containing weakly basic andond / t IR-45 in hydroxyl form. In this column, 2-keto-1-gulonic acid was retained and 1-sorbose went to the effluent. The portion of 1-sorbose that was initially also retained by the anion exchanger was then displaced as further amounts of 2-keto-1-gulonic acid influx. The 1-sorbose solution with a concentration lowered by the oxidized part bound in the ammonite deposit, flowed through the receiver 7, pump 8 to the preparation tank 9, to which fresh 1-sorbose was delivered through the feeding device 11. From the tank 9 the solution was flowing continuously to reactor 1, in which, as already mentioned, a continuous oxidation reaction was taking place due to the continuously supplied bromic acid. After some time, the solution flowing out of one anionilt column became acidic. After switching the solution flow to the second, not shown, regenerated column, the previous column was washed with water, and then 2-taeto-1-gulonic acid was removed from it by washing with 0.5-2.5 N hydrochloric acid, which flowed into the basin. 6. The effluent was an aqueous solution of 2-keto-1-gallonic acid at a concentration of about 7.5%. This solution was evaporated in vacuo at about room temperature to give approximately 98% crystalline 2-keto-1-gulonic acid, mp 170-171 ° C. 40 The anlion exchange column from which the product was displaced with hydrochloric acid required activation with a 2% solution of the liquor. with a concentration of 0.3-1.0 normal, obtaining the salts of these acids in the eluate. If the final goal is to obtain 50 ascorbic acid, the obtained 2-keto-hexonic acid solution is converted directly to ascorbic acid by known methods1. According to the invention, the ion exchange column system can operate both batchwise and continuously. Particularly advantageous results in the displacement of 2-keto-hexonic acids or their salts are obtained by using inter-operative column evacuation. 30 PL